氮化镓技术在战斗机雷达上的应用蓄势待发

2021-07-13 13:54:04 来源: 浏览次数:0

 

6月28日,美国《航空周刊》网站刊文称,当前,氮化镓(GaN)技术在战斗机雷达上的应用蓄势待发。氮化镓已是5G电子设备和大型搜索雷达当前的首选半导体,正处于过渡到战斗机火控雷达应用的潮头,有望使战斗机火控雷达实现自20世纪90年代末采用有源相控阵技术以来最大的一次性能飞跃。

20年前,从行波管到砷化镓(GaAs)芯片的技术转变,使有源相控阵雷达能够被封装到战斗机狭小的机头雷达罩中。今天,氮化镓又为下一代战斗机开辟了新的设计空间。氮化镓技术提供强大得多的功能,目前正接近规模化应用——先进的制造技术已提高了氮化镓半导体的耐用性并降低了成本,为新一代机载相控阵引入氮化镓单片微波集成电路芯片铺平了道路。近期,只要能满足换装氮化镓雷达的供电和冷却要求,若干型战斗机机载有源相控阵雷达的探测距离有机会提高一倍;远期,转向氮化镓为新一代作战飞机开辟了设计选择。与当前战斗机在机头处沿横截面方向安装雷达天线不同,氮化镓提供强大的功率附加效率(power-added efficiency)增长,可能允许在机头更前端安装更小的收发通道阵列,并在机体各处安装分布式、联网的多功能孔径。

在法国、以色列、日本、韩国、瑞典、英国和美国的新型战斗机雷达设计方案中,氮化镓已是用于下一代作战飞机最有前景的半导体材料。但首型配装氮化镓火控雷达的战斗机将不会是美国的“下一代空中主宰”、英国的“暴风”、法国或德国的“未来作战航空系统”、日本的F-X、韩国的KF-21和瑞典的JAS-39E/F“鹰狮”,它将会是美海军陆战队老化的F/A-18A~D“大黄蜂”战斗机。该型机之所以仍在服役,是因为F-35B/C隐身战斗机的计划出现延误。

2021年4月下旬,美国雷神公司透露其在美海军陆战队的F/ A-18C“大黄蜂”战斗机上换装了采用氮化镓半导体材料的AN/APG79(V)4有源相控阵雷达。该公司称,为现役F/A-18A~D升级有源相控阵雷达的计划已进行了两年,该计划将是氮化镓在机载火控雷达中的首次应用。

雷神公司在制造氮化镓材料方面已有十多年经验,并已将该技术用于“爱国者”陆基防空反导系统的新型雷达和机载“下一代干扰机”的中波段吊舱。但AN/APG-79(V)4代表了氮化镓在战斗机主要射频传感器中的首次应用。按计划,雷神公司将在2021年12月前正式向美海军陆战队交付AN/ APG-79(V)4有源相控阵雷达,供美海军陆战队升级改造其机队,后者已订购25部AN/APG-79(V)4。

AN/APG-79(V)4是美海军F/ A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机配装的AN/APG-79有源相控阵雷达的缩小版本。雷达探测距离是孔径大小和发射功率的正相关函数,尽管AN/ APG-79(V)4的阵列尺寸小于AN/ APG-79,但由于应用效率比砷化镓高得多的氮化镓半导体,它将使F/ A-18A~D获得与当前F/A-18E/F类似的雷达探测能力。

雷神情报与太空公司安全保密的传感器解决方案副总裁埃里克·迪特马尔斯(Eric Ditmars)说:“我们可以将氮化镓能力带入该平台。它可以提供与你在‘超级大黄蜂’上所见相同的探测距离和能力。使用标准的砷化镓芯片无法做到这一点。你必须走向氮化镓,以在这个更小的天线面积中获得你需要的效率。”这种转变也不是一帆风顺的。雷神公司使用其内部研究与工程资金,将AN/APG-79雷达收发通道中基于砷化镓的单片微波集成电路转换为氮化镓,迪特马尔斯形容这是“非常具有挑战性的技术问题”。

氮化镓基收发通道阵列具有更高的效率,这意味着它将从天线表面发射更大的功率。由于功率升高,温度也会升高。额外的热量可能会压倒F/ A-18A~D原有的强制风冷系统,因此雷神公司也为该型机安装了1套液冷系统。迪特马尔斯说:“你必须确保你的解决方案为系统带入了适量的冷却能力。它们带走热量,这样电路才能在它们的优化状态工作,保持合适的温度,确保性能和可靠性”。

为F/A-18A~D换装氮化镓有源相控阵雷达只是雷神公司在该领域的第一步。下一步,该公司将瞄准为F/A-18E/F的AN/APG-79雷达采用氮化镓技术。由于后者天线孔径更大,换装氮化镓之后也将获得更大的性能增量。准确的数据是保密的,但是迪特马尔斯透露,一般来说,氮化镓相对于砷化镓更高的功率附加效率,使之“在相同尺寸、孔径和功率总量的情况下,探测距离大约增加了一倍”。

在某种程度上,随着对手们部署射程更远的陆基防空和空对空拦射导弹,氮化镓阵列可使类似F/A-18E/ F这样的四代机变得更加重要。F/ A-18E/F缺乏F-22和F-35的隐身能力,因此最大化火控雷达的探测距离可能成为一个优先事项。这也适用于其他机型。例如,美空军正在部署配装AN/APG-82有源相控阵雷达的F-15EX战斗机,但已在2020年12月发布一份信息征询书,为该型机寻求各种可能的升级。雷神公司在响应材料中提出了为AN/APG-82雷达应用氮化镓技术,并从2021年6月初开始与美空军就F-15EX未来的雷达升级进行了后续讨论。

但雷达制造商的终极战利品将是下一代作战飞机。美空军和海军正在发展分别取代F-22和F/A-18E/F的战斗机。一型高度隐身的飞机应能更加靠近目标而不被探测到,实际上降低了对氮化镓雷达探测距离优势的需求。但是,氮化镓基传感器可以提供其他好处,例如可以采用更小的阵列,并在比砷化镓更宽的频谱范围内应用跳频技术。迪特马尔斯说:“拥有更宽的频带将使你能够进行跳频,确保你不会停留在某个特定频率上。后一种情况会让你更容易被探测到”。

此外,射频传感器技术将在下一代战斗机上得到进化:一个多功能孔径组成的网络将能完成感知、干扰和通信功能,分布在战斗机组成的网络而不是仅仅单个飞机上,“随着你转向更保形的材料和其他现有技术,你能更有效地将天线放置在任何地方。你还能真的协调分离的天线共同工作,这样,你就能在一架飞机上安装雷达,也能在僚机上协调更复杂的解决方案。当你开始将这些不同的阵列联网时,你就能做某些有趣的事情,使你既不被探测到,又能感知整个空域”。

不过,雷神公司在现有火控雷达中应用氮化镓技术的路径可能并不是通用的。美国诺格公司已在为美海军陆战队提供采用氮化镓技术的AN/TPS80“地面/空中任务导向雷达”(G/ ATOR)。该公司也是F-16战斗机的AN/APG-83,F-22的AN/APG-77和F-35的AN/APG-81等机载有源相控阵火控雷达的供应商,但它没有评论是否应为现有系统提供包括转向氮化镓在内的升级路线图。该公司空中主宰及打击副总裁格雷戈·西默(Greg Simer)表示,公司致力于在有意义的地方应用氮化镓。“我不知道那些传统‘大黄蜂’机队的具体细节,以及导致它们采用氮化镓方案的驱动因素和要求是什么。但是每型飞机都有独特的约束和要求,在正确的场合采用氮化镓也是可能的”。

以色列航宇工业公司埃尔塔系统分部也是机载火控雷达供应商,它确认其已将氮化镓技术应用到某种战斗机阵列,但没有提供细节。该分部研究、发展与创新副总裁以色列·卢帕(Israel Lupa)透露,“你可以这么说:我们也在机载应用方面实施氮化镓技术,包括战斗机”。

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